电力电子技术第5章课件.ppt
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1、第第5章章 PWM控制技术控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)控制)控制 对脉冲的宽度进行调制的技术,通过对一系列脉冲的宽度进对脉冲的宽度进行调制的技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。行调制,来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。通过改变脉冲宽度控制逆变器输出交流基波电压的幅值;通通过改变脉冲宽度控制逆变器输出交流基波电压的幅值;通过改变调制周期可以控制其输出频率。过改变调制周期可以控制其输出频率。优点:功率因数高、有效地进行谐波抑制、动态响应快。优点:功率因数高、有效地进行谐波抑制、动态响应快。缺点:高次谐波、缺点:
2、高次谐波、du/dt、电磁干扰、电磁干扰5.1 概述概述 变频器发展变频器发展 1964年德国人年德国人A.Schonung和和H.stemmler首先提出把这项通首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中。讯技术应用到交流传动中。70年代,主电路采用年代,主电路采用GTO和和GTR、控制策略采用、控制策略采用V/F控制。控制。80年代之后,主电路采用年代之后,主电路采用IGBT,控制策略采用矢量控制,控制策略采用矢量控制和直接转矩控制。和直接转矩控制。90年代,变频器在工业领域应用已非常普及。年代,变频器在工业领域应用已非常普及。第第5章章 PWM控制技术控制技术5.1 概述概述5.2 逆变电路
3、的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.3 逆变电路的其他逆变电路的其他PWM控制方法控制方法5.4 多电平逆变器的多电平逆变器的PWM控制控制 5.1 概述概述 冲量(面积)等效原理冲量(面积)等效原理 大小、波形不相同的窄脉冲大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时,只变量作用于惯性系统时,只要它们的冲量即变量对时间要它们的冲量即变量对时间的积分相等,其作用效果基的积分相等,其作用效果基本相同。本相同。图图a-d四种激励分别加在具四种激励分别加在具有惯性的阻感负载时,其输有惯性的阻感负载时,其输出响应基本相同。出响应基本相同。f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)
4、tOf(t)图图a、b、c、d分别为方波、三角波、正分别为方波、三角波、正弦半波窄脉冲、单位冲击函数弦半波窄脉冲、单位冲击函数(t),面积都等于面积都等于1。i(t)u(t)i(t)t0冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形5.1 概述概述u(t)为电压窄脉冲,输出为电压窄脉冲,输出i(t)的上升阶段随脉冲形状不同的上升阶段随脉冲形状不同略有不同,但其下降段则几略有不同,但其下降段则几乎完全相同;乎完全相同;脉冲越窄,各脉冲越窄,各i(t)波形的差异波形的差异也越小;也越小;输出波形的傅里叶变换分析:输出波形的傅里叶变换分析:低频段非常接近,仅在高频低频段非常接近,仅在高
5、频段略有差异。段略有差异。5.1 概述概述SPWM(正弦脉冲宽度调制):(正弦脉冲宽度调制):将正弦波分成将正弦波分成N个彼此相连的个彼此相连的脉冲序列所组成的波形,用相脉冲序列所组成的波形,用相同数量的等幅不等宽的矩形脉同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲和相应的冲代替,使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等,可得正弦波部分面积相等,可得SPWM脉冲序列。脉冲序列。第第5章章 PWM控制技术控制技术5.1 概述概述5.2 逆变电路的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.3 逆变电路的其他逆变电路的其他PWM控制方法控制方法5.4 多电平逆变器的多电平逆变器的PWM控制控制 5.2 逆变
6、电路的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的控制的实现方法实现方法5.2.6 PWM逆变电路的逆变电路的谐波分析谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM波波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路开关器件的通断,就各脉冲宽度和间隔,据此控制
7、逆变电路开关器件的通断,就可得到所需可得到所需PWM波形。波形。调制法调制法 把希望输出的波形(正弦波)按比例缩小作为调制信号,把把希望输出的波形(正弦波)按比例缩小作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过载波的调制得到所期望的接受调制的信号作为载波,通过载波的调制得到所期望的PWM波形。波形。5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 调制波调制波 把希望输出的波形作为调制信号在把希望输出的波形作为调制信号在SPWM中采用中采用正弦波正弦波作为调制波。作为调制波。载波载波 把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的期望的PWM波形
8、波形 载波:载波:三角波三角波或锯齿波或锯齿波 原因:等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关原因:等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系,且左右对称。系,且左右对称。uOtOtuoUd-Ud5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 调制调制法法:单极性调制和双单极性调制和双极性调制。极性调制。单极性单极性PWM控制方式控制方式调制信号调制信号ur为正弦波为正弦波载波载波uc为三角波为三角波在在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断的通断urucuo图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 单极性单极性PWM控制规律控制
9、规律 Ur正半周正半周u当当uruc时,时,uo=Udu当当 uruc时,时,uo=0u当当 uruc时,驱动时,驱动V1、V4u如如io0,则,则V1和和V4通通u如如io0,VD1和和VD4通通 u不管哪种情况不管哪种情况uo=Ud 当当uruc时,驱动时,驱动V2、V3u如如io0,VD2和和VD3通通 u不管哪种情况不管哪种情况uo=-Ud三相桥逆变电路三相桥逆变电路5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双极性双极性PWM控制方式控制方式 三相的三相的PWM控制公用三角控制公用三角波载波波载波uc,三相的调制信号,三相的调制信号依次相差依次相差120。当当urAuc时,时,V4关断
10、,关断,V1或或VD1导通,则导通,则uAN=Ud/2 当当urAuc时,时,V1关断,关断,V4或或VD4导通,则导通,则uUN=-Ud/2图6-8ucurAurBurCuuANuBNuCNuANuABUd-UdOtOOOOOttttt2Ud-2Ud2Ud-2Ud2Ud3Ud32Ud5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双极性双极性PWM控制方式控制方式 uAN、uBN和和uCN的的PWM波形只有波形只有Ud/2两种电平两种电平 线电压波形线电压波形uAB的波形可的波形可由由uAN-uBN得出得出 逆变器输出线电压逆变器输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电平构三种电平构成成 负载相电
11、压负载相电压uAN可由下式求得可由下式求得 负载相电压负载相电压PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平种电平组成组成3CNBNANANANuuuuu-5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 死区时间:死区时间:同一相上下两臂的驱动信号互补,为防止上下同一相上下两臂的驱动信号互补,为防止上下臂直通而造成短路,在上下两臂切换时留一小段上下臂都臂直通而造成短路,在上下两臂切换时留一小段上下臂都关断的死区时间。即先关断,后导通。关断的死区时间。即先关断,后导通。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。死区时间的长短主要由功率开关
12、器件的关断时间决定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带来影响,使其稍稍偏离正波带来影响,使其稍稍偏离正弦波。弦波。5.2 逆变电路的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的控制的实现方法实现方法5.2.6 PWM逆变电路的逆变电路的谐波分析谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化5.2.2 SPWM的基波电压的基波电压 SPWM脉冲电压脉冲电压:脉冲宽度按照正弦规律变化的
13、脉冲电压:脉冲宽度按照正弦规律变化的脉冲电压序列。序列。其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系,改变各个脉冲其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系,改变各个脉冲的宽度,就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。的宽度,就可以平滑地调节逆变器输出电压基波幅值。脉冲数脉冲数n足够大时,足够大时,SPWM逆变器输出脉冲序列的基波电逆变器输出脉冲序列的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波。压正是调制时所要求的等效正弦波。5.2 逆变电路的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件5.2.4
14、 异步调制和同步调制异步调制和同步调制5.2.5 SPWM控制的控制的实现方法实现方法5.2.6 PWM逆变电路的逆变电路的谐波分析谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件1.开关频率限制开关频率限制 开关频率越高,开关频率越高,SPWM波形的脉冲数越多,其基波越接近波形的脉冲数越多,其基波越接近期望的正弦波。期望的正弦波。电力电子器件的开关能力是有限的,因此在应用脉宽调制技电力电子器件的开关能力是有限的,因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约。术时必然要受到一定条件的制约。载波比载波比:载波频率:载波频率fc与调制信
15、号频率与调制信号频率fr之比,之比,N=fc/fr5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件2.最小间歇时间与幅值调制比最小间歇时间与幅值调制比 最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton,而最小脉冲间歇大于器件的关断时间而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 幅值调制比幅值调制比uM=Urm/UcmuM=015.2 逆变电路的逆变电路的SPWM控制方法控制方法5.2.1 计算法和调制法计算法和调制法5.2.2 SPWM的基波电压的基波电压5.2.3 脉宽调制的制约条件脉宽调制的制约条件5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制5.2.5 SPWM
16、控制的控制的实现方法实现方法5.2.6 PWM逆变电路的逆变电路的谐波分析谐波分析5.2.7 PWM逆变电路的多重化逆变电路的多重化5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制载波和信号波是否同步载波和信号波是否同步即载波比的变化情况即载波比的变化情况异步调制异步调制PWM调制方式分为调制方式分为同步调制同步调制5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 异步调制异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式,通常保持载波信号和调制信号不同步的调制方式,通常保持fc固定不固定不变,当变,当fr变化时,载波比变化时,载波比N是变化的是变化的 缺点:缺点:u在信号波的半周期内,在信号波的半
17、周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉周期的脉冲也不对称。冲也不对称。u当信号频率增高时,当信号频率增高时,N减小,一周期内的脉冲数减少,使得输减小,一周期内的脉冲数减少,使得输出出PWM波和正弦波差异变大。波和正弦波差异变大。5.2.4 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 同步调制同步调制 在变频(在变频(fr变化)时,载波比变化)时,载波比N不变,载波与信号波保持同不变,载波与信号波保持同步。步。信号波一周期内输出脉冲数是固定,脉冲相位也是固定的。信号波一周期
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